Soft Constraint Framework für die Simulation von Ausbauprozessen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei der Planung von Ausbauarbeiten müssen eine Vielzahl von Restriktionen berücksichtigt werden. Hierzu gehören beispielsweise reihenfolgebasierte, ressourcenbasierte oder auch qualitätsbasierte Randbedingungen. Des Weiteren sollen verschiedene Strategien beachtet werden, so dass sich möglichst ein effizienter und reibungsloser Ablauf der Ausbauarbeiten einstellt. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden neuartige Konzepte zur Modellierung von zwingenden und zweckmäßigen Randbedingungen für Ausbauarbeiten definiert. Zur mathematischen Beschreibung dieser Hard und Soft Constraints wurden problemspezifische C-Semiringen entwickelt. C-Semiringe ermöglichen eine einheitliche Formulierung von komplexen Randbedingungen. Für Ausbauarbeiten wurden beispielsweise Soft Constraints zur Modellierung von Qualitätsbedingungen, Vermeidung von Verschmutzung oder räumliche Anforderungen umgesetzt. Für jedes Soft Constraint kann ein Erfüllungsgrad berechnet werden, der zur Bewertung der Reihenfolgeplanung im Ausbau herangezogen werden kann. Durch die systematische Kombination verschiedener Hard und Soft Constraint Beschreibungen können unterschiedliche Ausführungsstrategien untersucht werden. Zur Berechnung eines Terminplanung wurden die Hard und Soft Constraints in einen ereignisorientierten Simulationsansatz integriert. Somit können die Ausführungsstrategien sehr schnell bewertet und gegebenenfalls angepasst werden. Aufbauend auf der mathematischen Beschreibung wurde ein Software-Framework für Hard und Soft Constraints umgesetzt. Das Software-Framework kann um anwendungsspezifische Randbedingungen erweitert werden. Zur Spezifikation von individuellen Hard und Soft Constraints wurde eine bauspezifische Definitionssprache entwickelt. Dadurch können verschiedene Ausbaustrategien systematisch gespeichert und auf andere Projekte übertragen werden. Ein weiteres Ziel des Forschungsvorhabens war die Bestimmung eines möglichst optimalen Terminplans für Ausbauarbeiten. Die entwickelten Soft Constraints Modelle wurden als weitere Zielfunktionen berücksichtigt. Für die Suche nach effizienten Ablaufplänen wurden verschiedene Konzepte evaluiert und angepasst. Zum einen wurde ein Verfahren zur lokalen Optimierung von einzelnen Ausbaureihenfolgen auf Basis der Greedy Randomized Adaptive Search Procedure entwickelt. Das entwickelte Verfahren ermöglicht eine einfache Suche nach möglichst optimalen Abläufen. Zur Ausnutzung des Optimierungspotentials wurden zum anderen auch globale Suchstrategien getestet. In diesem Zusammenhang wurden Simulated Annealing und Evolutionäre Strategien unter Berücksichtigung von Pareto- Konzepten angepasst. Für die effiziente und möglichst korrekte Rekombination von verschiedenen Ablaufplänen im Rahmen der Optimierung wurde ein neuartiger Rekombinationsoperator entwickelt. Im Zusammenspiel mit dem entwickelten Constraintbasierten Ansatz und der ereignisdiskreten Simulation können nun sehr schnell verschiedene korrekte Ablaufreihenfolgen generiert und bewertet werden. Durch die entwickelten Konzepte können verschiedene Ausbaustrategien systematisch mittels Hard und Soft Constraints definiert werden. Die Suche nach effizienten Reihenfolgen kann durch die entwickelten Optimierungskonzepte unterstützt werden. Insbesondere die Berücksichtigung von räumlichen Anforderungen an Ausbauprozessen kann durch die vorhandenen Konzepte gewährleistet und analysiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Bridge construction schedule generation with pattern-based construction methods and constraint-based simulation. Advanced Engineering Informatics, Volume 24, Issue 4, November 2010, Pages 379–388
Wu, I.-C.; Borrmann, A.; Beißert, U; König, M.; Rank, E.
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Soft constraint-based simulation of execution strategies in building engineering. Journal of Simulation 4, 222-231 (December 2010)
Beißert, U; König, M.; Bargstädt, H.-J.
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(2011): Optimization of Construction Schedules with Discrete-Event Simulation using an Optimization Framework. International Workshop on Computing in Civil Engineering 2011, American Society of Civil Engineers
Hamm, M.; Szczesny, K.; Nguyen, V.V.; König, M.
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(2011): Preparation of Constraints for Construction Simulation. International Workshop on Computing in Civil Engineering 2011, American Society of Civil Engineers
Marx, A.; König, M.
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(2012): A rank-based crossover operator for evolutionary algorithms for simulation-based optimization of construction schedules. Proceedings of the 2012 eg-ice Workshop July 4-6, 2012, ISBN: 978-3-00-038455-4
Szczesny, K.; Hamm, M.; Koch, Ch.; König, M.
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(2012): Intelligent BIM-based Construction Scheduling. WSC '12 Proceedings of the Winter Simulation Conference, Berlin, Article No. 59
König, M.; Habenicht, I.; Koch, Ch.; Spieckermann, S.
